某雷达发射机的结构设计*

钱 凯

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

某雷达发射机的结构设计*

钱 凯

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

固态发射机易维护、连续工作时间长、占用空间小、自重轻，它是新一代机载气象雷达的关键技术。文中探讨了一种新型机载固态发射机的结构设计方案。从多种设计角度研究发射机的结构方案，满足发射机的使用条件和设计需求。采用三维设计软件，详细设计发射机的结构，对主要受力部件进行力学有限元分析，并修改局部结构外形，以提高性能指标。设计的发射机性能指标满足使用要求，为今后新型发射机的设计提供了一个完整的解决方案。

固态发射机；参数化设计；ANSYS

引 言

近年来随着微波半导体技术的不断更新，机载气象雷达大量采用固态雷达发射机。机载气象雷达是一种观测飞机航线上大气运动的雷达。当航线上突然出现危险气象，机载气象雷达可及时提醒飞机驾驶人员，保证机上人员生命安全。另外通过多个机载气象雷达组成的监测网可以有效提高对突然出现的气象灾害进行预警的反应时间，使受灾地区的人员和财物及时转移。目前世界上所有大中型飞机都安装各种气象雷达，以便飞机能够全天候安全飞行。

根据机载气象雷达的工作环境和指标要求，采用的发射机需要具备连续工作时间长、低电压低负载、性能稳定、维修时间短、占用空间小、自重轻等优点。与真空管发射机相比，固态发射机在以上方面有很大优势。

国外机载气象雷达发射机的发展，从最初的单脉冲雷达发射机逐步发展成现在的脉冲多普勒雷达发射机，美国的ARINC 708A设计规范是世界通用标准。市场上较为先进的机载气象雷达有柯林斯公司的WXR-2100型雷达和霍尼韦尔公司的RDR-4000型雷达，两者均使用固态发射机技术[1]。

国内机载气象雷达发射机起步较迟，我国的机载气象雷达发射机与先进国家相比存在较大差距。近年来，出于发展航空的目的，国内对机载气象雷达发射机的投入逐步增大。该发射机采用微波功率模块，采用通用化、轻量化和抗振技术，是为适应现代发展的需要而设计的高可靠性、长寿命周期的机载气象雷达发射机。

1 雷达发射机结构方案设计

该型发射机采用固态发射模式，由两个镜像的发射组件构成，每个发射组件包括前级功率放大器、末级功率放大器、功率分配器/合成器、控制保护电路、调制电路等部分组成。发射机内部布局见图1。发射机通过ARINC 600插座输入信号及供电，采用同轴波导合成器合成输出，输出端口为标准BJ100波导。外形尺寸不超过90 mm×300 mm×280 mm(宽×深×高)，质量不超过7.5 kg。

图1 发射机内部布局

1.1 发射机的工业造型设计

根据需求，发射机作为一个独立的可更换单元安装在天线座中。在方案设计阶段做好外观设计，可使雷达各部分间协调统一，简洁大方，并富有时代气息。工业造型设计时先对整体形象进行构思和设计，使用计算机制作三维外观效果图，对局部的风格、形态、尺寸比例、色彩等进行设计和完善，选择外形优美的材料和工艺，设计铭牌、标识等，制作发射机模型，确定发射机造型方案[2]。参考国内外同类产品，根据机载雷达的特点，设计发射机的结构外形如图2所示。

图2 发射机的结构外形

该结构有以下几个特点：

1)机壳上安装不锈钢把手和快速锁紧/解锁装置，把手交错布置，充分考虑人体工程学，使操作和维修难度小，设备易维修；

2)发射机机壳避免尖锐棱角，与其他单元一致，体现造型的统一性，局部使用圆弧过渡，在形状相似的基础上增加不同特点，互相衬托，产生对比感，使造型更加生动，具有视觉美感，同时也保证发射机维修安全性；

3)发射机机壳采用一体化设计，由两部分焊接而成，焊接部分在机壳内部，避免外形上出现多余线条，也增强结构刚强度；

4)发射机盖板的固定螺钉凹进盖板安装，避免造型被螺钉分割，体现造型的统一；

5)减少对外接口，减小发射机体积，并使机壳外形更加完整；

6)按雷达的要求，选择合适的机壳颜色，把手采用合适的电镀涂覆工艺，在适当位置安装醒目的黑色铭牌。

1.2 发射机的轻型化和加固设计

根据雷达发射机的需求，发射机设计时要合理安排元器件布局，尽量缩小发射机结构，对机壳进行轻型化设计。按照一般思路可将发射机拆分为两个独立组件，每个组件有独立的风冷翅片与风道，组件之间采用螺钉固定。这种方案只考虑了加工的方便与否，两个组件之间的安装面厚度有很大冗余，还增加了机壳外形尺寸，造型上不美观。参考铝合金机箱的钎焊方式，对机壳结构进行改进，划分为两部分，之间采用焊接结构形式，散热翅片和隔板焊接前事先定位，焊接完毕后对壳体进行精加工。如图3所示。

图3 发射机的壳体毛坯结构外形

该方案的机壳外部无多余接缝，充分利用机壳空间，与原有方案相比体积和重量得到控制，达到良好的电磁屏蔽和“三防”效果，发射机具有良好的可维修性。机壳的两块盖板为铝合金材质，为保证足够的结构强度，进行整体铣削加工。内部有加强筋和密封槽。发射机中质量大于5 g或引线外径小于0.3 mm的元器件，用辅助的卡箍固定，或将器件整体灌封成模块。发射机内尽量不用可调元器件，必须使用时，应有可靠的锁紧措施。使用螺钉、螺栓等紧固件时，应采用防松措施，在铝合金上不宜直接加工螺纹，采用普通型有折断槽钢丝螺套。发射机与天线座的固定采用定位销与松不脱螺钉形式，其耐振动冲击性能已在长期使用过程中得到验证。

1.3 发射机的电磁兼容设计

雷达设备的电磁干扰源可分为自然干扰源和人为干扰源。本发射机所处工作条件相当恶劣，内部元器件安装紧凑，并与其他机载设备一起紧密地安装在机体内，内部电磁干扰相当严重，有连续波干扰源、瞬态干扰源和非线性现象产生的干扰源。应重视电磁兼容设计，抑制发射机本身产生的干扰。结构设计应主要从屏蔽和接地两方面来提高发射机的电磁兼容性[3]。

发射单元壳体设计时，选用铝合金材料，除因维修需拆卸的盖板可用螺钉连接外，其余采用焊接的结构形式。盖板与壳体接合处重叠面积大，有足够的缝隙尺寸；相邻螺钉的间距与螺钉的外径、抗电磁干扰衬垫压缩量等相匹配，有足够小的缝隙宽度。盖板与壳体贴合面和元器件在机壳上的贴合面加装抗电磁干扰衬垫，使电连接不间断。贴合面使用易导电、有弹性、具有最小的宽厚比的抗电磁干扰衬垫，形成可靠的电气连接。严格控制箱体和盖板上的开口、孔洞、缝隙的数量、位置、大小和外形，并采用特殊的抗电磁干扰材料和选择合适的外形，减小对屏蔽性能的影响。在结构布局时，高电平模块及数字电路模块远离低电平模块或在其间采取屏蔽隔离措施。干扰源与易受干扰的电路传输线的布线要隔离。为避免腔体效应，增加隔墙将电路隔离开[3]。

2 发射机的结构设计

如前所述，发射机的壳体采用焊接技术，壳体由两个主体部分组成，两部分之间通过铝螺钉固定，焊接部位布置于壳体内部，散热翅片和隔板焊接前事先定位，焊接完毕后对壳体进行精加工，如图3所示。该方案的机壳外部无多余接缝，充分利用机壳空间，达到良好的电磁屏蔽和“三防”效果，发射机具有良好的可维修性。

机壳的两块盖板为铝合金材质，为保证足够的结构强度，进行整体铣削加工。内部有加强筋和密封槽。图4为盖板外形示意图。

图4 盖板外形示意图

在建立机壳所有零部件模型后，将其组合安装。安装时遵循以下原则：先安装壳体，后安装附属零件，最后安装固定件。为避免机壳装配关系混乱的情况发生，可采用Top-down技术建立发射机内部结构关系。零部件具体设计前，首先创建机壳组件，并按照零部件所属关系挂接下属零部件。图5为完成装配的机壳示意图。

图5 机壳示意图

3 壳体的有限元分析

发射机壳体是发射机的结构主体，它是发射机内所有元器件的安装平台。因为要承受发射机内外的大部分载荷，因此要求壳体满足发射机的设计布局需求、结构尺寸小、重量轻、能承受一定的压力和变形。

3.1 壳体模型的静力分析

因为已使用Pro/ENGINEER软件建立机壳的三维模型，可简化模型后导入ANSYS软件。根据工作情况，对壳体的局部做以下修改和变更：去除对结构强度影响不大的部分，如散热翅片、所有的元器件固定孔、腔体内的部分小平面、内部隔墙上的缺口以及小凸台。

由于ANSYS Workbench自带的材料库里包括铝合金材料，设计师可以直接调用铝合金的材料属性。考虑到工程实际情况，发射机壳体采用自动划分法划分网格，见图6。

图6 已划分网格的壳体

按照设计要求与工程实际，对壳体施加重力加速度、75 N力载荷以及多处固定约束。如图7所示。

图7 已施加载荷与约束的壳体

对壳体的求解结果中，选取等效应力(Equivalent Stress)、总体变形(Total Deformation)为结果对象。等效应力、总体变形分布云图如图8所示。最大应力未超过壳体的许用应力，机壳变形未出现较大的变形突变区域。因此，从整体上看，机壳结构达到所需强度指标。

图8 等效应力与总体变形分布云图

3.2 壳体模型的模态分析

一个多自由度线性系统拥有与自由度数目相同的固有频率。系统的每种固有频率均有相应的振型及其他振动特性，统称模态。模态分析是分析系统关于振动的固有特性的过程，是谱分析、随机振动分析的前置步骤。

因为该型发射机安装位置在飞机机舱内，应满足一定的振动条件。详细设计时，可通过模态分析确定发射机中关键部件的固有振动特性，以避免关键部件在实际使用时发生共振现象，从而确保发射机正常工作并减少振动和噪声。

ANSYS Workbench软件中进行模态分析的一般步骤为：建立有限元模型；设定材料属性，定义接触对，不施加外载荷，划分网格；求解并查看结果[4]。

壳体在进行模态分析时，只研究自由振动条件下的振动情况。图9～图14是壳体初始模型的前六阶固有频率和振型。

图9 壳体一阶固有频率和振型(659.97 Hz)

图10 壳体二阶固有频率和振型(686.84 Hz)

图11 壳体三阶固有频率和振型(1369 Hz)

图12 壳体四阶固有频率和振型(1402.4 Hz)

图13 壳体五阶固有频率和振型(1436.9 Hz)

图14 壳体六阶固有频率和振型(1453.1 Hz)

分析壳体前六阶固有频率和振型云图，可以直观地发现发射机壳体中部是振动的薄弱环节。这是因为壳体中部大量区域为没有加强筋的平面，结构强度较低。出于布线的需要，平面上无法布置加强筋，但会增加零件以加强薄弱区域的结构。

3.3 壳体的改进设计及分析

壳体作为发射机结构主体，其质量和刚强度对发射机的振动特性有很大影响。下面参考减重因素，对壳体做改进设计，并进行有限元分析。具体改进：降低壳体局部壁厚，在局部位置增加减重槽，如图15所示。

图15 修改的壳体示意图

图16～图21是改进后壳体的前六阶固有频率和振型。图22是改进后壳体的等效应力与总体应变云图。

图16 改进后壳体一阶固有频率和振型(654.02 Hz)

图18 改进后壳体三阶固有频率和振型(1364.3 Hz)

图19 改进后壳体四阶固有频率和振型(1398.7 Hz)

图20 改进后壳体五阶固有频率和振型(1418.9 Hz)

图21 改进后壳体六阶固有频率和振型(1477 Hz)

图22 改进后壳体的等效应力与总体变形分布云图

由图可见，改进后壳体的质量为3.02 kg，比原来减轻6.4%，固有频率略有下降，而壳体的等效应力与总体变形基本无变化，刚强度未受影响。综合考虑雷达对发射机质量和振动指标的要求，认为改进后壳体是较好的设计方案。

4 结束语

本文主要探讨一种机载气象雷达固态发射机的结构设计。根据发射机的需求，从多个方面对发射机的结构方案进行论证，提出较理想的解决方案。根据有限元法的基本理论，采用ANSYS Workbench软件对作为发射机关键部件的壳体进行力学分析和减重设计，保证了发射机的刚强度要求，完善原有设计方案，提高了发射机指标。

[1] 蒋庆全. 民用机载气象雷达发展评述[J]. 电子科学技术评论, 2004(4): 39-46.

[2] 张鄂, 买买提明. 现代设计理论与方法[M]. 北京: 科学出版社, 2008.

[3] 陈淑凤, 马蔚宇, 马晓庆. 电磁兼容设计[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2001.

[4] 纪海慧. Ansys Workbench在卡扣装配分析中的应用[J]. 现代制造工程, 2008(8): 48-49, 131.

钱 凯(1980-)， 男，工程师，主要从事固态雷达发射机结构设计工作。

Structure Design of a Radar Transmitter

QIAN Kai

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Solid-state transmitter has advantages of easy maintenance, long continuous working time, small cubage and light weight. It is the key technology of the new generation of airborne weather radars. The structural design of a new airborne solid-state transmitter is presented in the paper. The structure scheme of the transmitter is investigated from many perspectives of the design, which meets the application conditions and the design requirements. The modular and custom-built transmitter is realized using a three-dimensional parametric design software, and the structure of the transmitter is shown in detail. The main forced components of the transmitter are analyzed in mechanical finite element design, and the local structure shape is modified to improve performance. The designed transmitter meets the application performance requirements, and provides a reference for the design of future new generation transmitters.

solid-state transmitter; parametric design; ANSYS

2014-02-24

TN957.8+3

A

1008-5300(2014)04-0042-05